建構(gòu)物理模型，解決生活情境化試題

摘? ?要：生活實踐問題情境的試題要求學(xué)生能從具體問題中建構(gòu)起對應(yīng)的物理模型，依據(jù)模型滿足的物理規(guī)律列出對應(yīng)的數(shù)學(xué)公式，從而解決情境化的物理問題。以2022年廣東高考試題為例，研究物理模型建構(gòu)的教學(xué)現(xiàn)狀和必要性，得出建構(gòu)物理模型的應(yīng)用思路和提升建模能力的有效方式，以達到提升學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的目的。

關(guān)鍵詞：物理模型；生活情境化；新課程標準；建構(gòu)能力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）9-0039-4

收稿日期：2023-04-10

作者簡介：趙景秀（1985-），女，中學(xué)一級教師，主要從事高中物理教學(xué)與研究工作。

分析2022年廣東高考物理試題，發(fā)現(xiàn)生活實踐問題情境的題目占比為56%，如輕繩牽引磨豆腐，“祝融號”火星車休眠，自動雨傘開傘過程，玻璃瓶測水深等真實生活情境。解答這類試題要求學(xué)生能從具體問題中建構(gòu)出對應(yīng)的物理模型，再依據(jù)模型列出相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式，從而解決情境化的物理問題。

1? ? 物理模型建構(gòu)的教學(xué)現(xiàn)狀

在現(xiàn)實教學(xué)中，很多學(xué)生面對生活情境試題時并不能正確地從中抽象概括出物理模型，這就是解決情境化試題的困難所在，究其原因主要有兩個方面。

1.1? ? 學(xué)生從生活實踐情境中提煉出物理模型的能力不足

學(xué)生平時做題訓(xùn)練多以簡化情境的題目為主，可套用物理公式或規(guī)律直接進行解題，題目忽略了建構(gòu)物理模型解決問題的思維過程。其結(jié)果是學(xué)生在處理物理問題時只關(guān)注答案結(jié)果，不注重思維品質(zhì)的形成過程，而缺少簡化、抽象、理想等方式建構(gòu)物理模型的思維過程，學(xué)生很難適應(yīng)情境化的試題。

1.2? ? 教師不注重培養(yǎng)學(xué)生物理建模過程

教師講解生活情境化試題時，不注重物理生活情境與物理知識的緊密聯(lián)系，遇到題干中對實際生活的文字描述就簡而化之，或跳過描述，直接列出規(guī)律表達式。忽略訓(xùn)練學(xué)生在生活情境試題中對關(guān)鍵文字的信息提煉或情境的理解，不注重培養(yǎng)學(xué)生的物理建模過程和規(guī)律公式的來源分析，勢必給學(xué)生物理建模能力的發(fā)展帶來阻礙。

2? ? 高中物理模型建構(gòu)的必要性

從學(xué)生發(fā)展的需求來看，高中學(xué)生已經(jīng)具備一定的生活實踐經(jīng)驗，其信息獲取、科學(xué)推理論證、抽象概括等思維均發(fā)展到了較高的水平，這些學(xué)習(xí)能力都為建立一個正確的物理模型奠定了基礎(chǔ)。

2.1? ? 有利于科學(xué)思維的全面發(fā)展

在生活實踐問題情境化習(xí)題的教學(xué)講解中，教師要引導(dǎo)學(xué)生逐字逐句地讀題，緊扣題目中的關(guān)鍵信息，如恰好、光滑、不計等詞語，培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和信息加工能力。引導(dǎo)學(xué)生抓住題目中主要因素的特征，通過類比聯(lián)想、抽象概括或邏輯推理等思維活動，把抽象問題的具體描述轉(zhuǎn)換為對象模型、條件模型、過程模型等，以培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)起物理模型的思維方法；通過模型特征判斷物理問題所需的物理規(guī)律，根據(jù)模型條件列出相應(yīng)的數(shù)學(xué)規(guī)律表達式，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理、論證質(zhì)疑能力。

建立物理模型本身就是思維的升華，是思維的創(chuàng)新性發(fā)展，所以物理建模能力的水平高低關(guān)系著學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展，影響學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力。

2.2? ? 有利于物理知識結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格化

高中物理概念和物理規(guī)律很多，知識綜合性強，建構(gòu)物理模型有助于學(xué)生把握問題的主要因素，并將瑣碎的知識點串接起來，形成知識網(wǎng)絡(luò)框架。高中課本中的物理模型可以看成是高中物理概念和規(guī)律的紐帶橋梁，從類型上可以劃分為實體模型和過程模型這兩大模型體系。例如，細繩、運動小車、帶電小球等作為研究對象時，在高中階段不考慮研究對象的大小和形狀，從而抽象成理想化的質(zhì)點模型，解決了研究對象的模型問題。又如，平拋運動模型根據(jù)運動和受力的特點，可以細分為水平方向的勻速直線運動模型與豎直方向的自由落體模型。根據(jù)平拋運動模型“合力不變且與初速度垂直”的本質(zhì)特征，將這種模型遷移應(yīng)用到帶電粒子在勻強電場中偏轉(zhuǎn)問題的“類平拋運動模型”。進一步擴展平拋模型的研究方法，就會發(fā)現(xiàn)斜拋模型是兩個平拋運動在最高點的對稱合成。抓住物理模型的本質(zhì)特征將物理知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化，可以起到增強學(xué)生更好地掌握物理概念、靈活應(yīng)用物理規(guī)律去解決一系列的相似模型的物理問題的效果。

2.3? ? 建構(gòu)物理模型是擺脫題海戰(zhàn)術(shù)的有效方式

生活實踐情境下的物理習(xí)題訓(xùn)練對提升學(xué)生能力有幫助，但過量的習(xí)題會使得學(xué)生疲憊。其實，絕大多數(shù)的生活情境化習(xí)題中都有物理模型的相應(yīng)信息和原型，細心的學(xué)生一旦發(fā)現(xiàn)物理模型再嘗試進行物理模型的還原重建，加以教師對模型的分析引導(dǎo)，只需適量的物理習(xí)題練習(xí)，學(xué)生就能理清同一類問題的物理模型特征，建立相應(yīng)的物理模型，形成良好的習(xí)慣，提升學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生從題海戰(zhàn)術(shù)中成功脫身。

3? ? 建構(gòu)物理模型的應(yīng)用思路

新課程標準核心素養(yǎng)要求下生活實踐情境化的試題，是運用新的素材包括真實情境的素材來考查學(xué)生的知識掌握能力，這時模型的建立是學(xué)生解決物理問題的關(guān)鍵［1］。其建構(gòu)物理模型思路程序如圖1所示。

學(xué)生解生活實踐問題情境的試題需要從試題中提取信息，再經(jīng)過抽象、簡化等思維過程呈現(xiàn)物理模型，分析出問題情境和模型特征來選擇物理規(guī)律和公式，最后利用數(shù)學(xué)知識進行推導(dǎo)論證，從而解決情境化的物理問題。

例1 （2022年廣東卷第2題）“祝融號”火星車需要“休眠”以度過火星寒冷的冬季。假設(shè)火星和地球的冬季是各自公轉(zhuǎn)周期的四分之一，且火星的冬季時長約為地球的1.88倍?；鹦呛偷厍蚶@太陽的公轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運動。下列關(guān)于火星、地球公轉(zhuǎn)的說法正確的是（? ? ? ）

A. 火星公轉(zhuǎn)的線速度比地球的大

B. 火星公轉(zhuǎn)的角速度比地球的大

C. 火星公轉(zhuǎn)的半徑比地球的小

D. 火星公轉(zhuǎn)的加速度比地球的小

本題是以我國所取得的科技成果“祝融號”火星車需要“休眠”這一真實問題情境為試題的考查載體而編制的考題，題目建構(gòu)對應(yīng)一定的物理模型。解答順序按建構(gòu)物理模型的思路程序，先審題提取有用信息，抓住“冬季是公轉(zhuǎn)周期的四分之一”“勻速圓周運動”關(guān)鍵詞語進行理解。需要學(xué)生在頭腦中呈現(xiàn)出地球和火星分別繞太陽公轉(zhuǎn)、“祝融號”火星車隨火星一起繞太陽公轉(zhuǎn)的情境圖像。為使運動過程更形象化，在稿紙上可以作如圖2所示的運動示意圖，為物理模型建立清晰的物理圖形。

在現(xiàn)實生活中，地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期是1 年，通過類比思維，那么火星繞太陽的周期就近似為1.88年，從而得知其公轉(zhuǎn)周期大于地球公轉(zhuǎn)周期。再以火星和地球作為研究對象，建立質(zhì)點模型；行星繞太陽公轉(zhuǎn)的運動可視為勻速圓周運動的過程模型。根據(jù)勻速圓周運動的本質(zhì)特征“合外力大小不變且時刻指向圓心充當(dāng)向心力”，建立萬有引力等于向心力的條件模型。最后選擇規(guī)律公式G=mr，G=m，ω=，G=ma，進行數(shù)學(xué)演算，順利得出D選項正確，從而解決了天體運動的物理問題。

例2 （2022年廣東卷第13題）某同學(xué)受自動雨傘開傘過程的啟發(fā)，設(shè)計了如圖3所示的物理模型。豎直放置在水平桌面上的滑桿上套有一個滑塊，初始時它們處于靜止狀態(tài)。當(dāng)滑塊從A處以初速度v0=10 m/s向上滑動時，受到滑桿的摩擦力f=1 N，滑塊滑到B處與滑桿發(fā)生完全非彈性碰撞，帶動滑桿離開桌面一起豎直向上運動。已知滑塊的質(zhì)量m=0.2 kg，滑桿的質(zhì)量M=0.6 kg，A，B間的距離l=1.2 m，重力加速度g取10 m/s2，不計空氣阻力。求：（1）滑塊在靜止時和向上滑動的過程中，桌面對滑桿支持力的大小N1和N2；（2）滑塊碰撞前瞬間的速度大小v；（3）滑桿向上運動的最大高度h。

本題以生活中自動傘的開傘過程為問題情境作為考查載體，在能力的考查方面主要是考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力和推理論證能力。根據(jù)題目要求，本題中考查的模型建構(gòu)能力為四級水平。建構(gòu)模型解決問題的過程為：第一，認真審題，提取關(guān)鍵信息點“靜止狀態(tài)”“完全非彈性碰撞”“一起豎直向上”。第二，在稿紙上作受力分析圖、運動示意圖展現(xiàn)物理情境，為建模做好準備。第三，通過簡化，不考慮滑塊的大小和形狀，建立質(zhì)點模型?；瑝K和滑桿都靜止，建立滑塊和滑桿為整體研究對象的對象模型以及平衡狀態(tài)模型?；瑝K向上做勻減速直線運動的過程模型，滑塊與滑桿的碰撞模型，“不考慮空氣阻力”“一起豎直向上運動”可以簡化為豎直上拋運動模型。第四，根據(jù)建構(gòu)的物理模型的本質(zhì)特征依次使用適合的規(guī)律公式，進行數(shù)學(xué)運算和論證，得出結(jié)論，從而順利解決生活探究情境問題。

4? ? 提升學(xué)生物理模型建構(gòu)能力的有效方式

“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素［2］。物理模型建構(gòu)能力是高中物理核心素養(yǎng)的目標要求，也是高考評價體系中的五大關(guān)鍵能力之一［3］。在生活情境化試題的講解中培養(yǎng)學(xué)生物理建模能力，教師可以從以下幾點進行教學(xué)實踐。

4.1? ? 教師重視模型建構(gòu)過程的引導(dǎo)作用

教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑［1］。學(xué)生遇到一些字符、數(shù)據(jù)較多的生活情境試題時，審題提取題目關(guān)鍵信息的能力不足或是對物理現(xiàn)象、物理情境、物理狀態(tài)、物理過程等理解不到位，學(xué)生的思維就會受到嚴重影響，甚至分不清研究對象，這時就需要教師引導(dǎo)學(xué)生理解關(guān)鍵詞語，細品物理過程，逐步加深學(xué)生對物理模型的認識，發(fā)展物理模型的建構(gòu)能力。

4.2? ? 培養(yǎng)學(xué)生形象化呈現(xiàn)物理情境的能力

學(xué)生在理解文字的基礎(chǔ)上需要把物理情境或物理過程清晰呈現(xiàn)出來。一些學(xué)生能在頭腦中呈現(xiàn)出物理過程，但作圖才是呈現(xiàn)物理情境的最優(yōu)方式。作物理過程運動簡圖或受力分析圖可使物理情境、物理過程直觀化，使思維可視化，把一些關(guān)鍵的地方用紙筆點出，更利于物理模型建構(gòu)。

4.3? ? 注重物理模型的本質(zhì)特征分析

高中階段的物理模型知識豐富，生活情境化的問題更是多如繁星，分析物理模型的本質(zhì)特征尤其重要，可促使物理模型所遵循的物理規(guī)律準確呈現(xiàn)。如圓周運動中“繩球模型”中細繩“不考慮質(zhì)量且不可伸長”，“繩子拉力沿繩子收縮方向”的本質(zhì)特征使得小球運動到圓周運動的最高點時有一個臨界狀態(tài)和臨界速度。教師分析講清這一特征，學(xué)生掌握物理模型特征才能不死記硬背，不生搬硬套地使用物理規(guī)律和公式去解決問題，從而有信心把物理模型拓展應(yīng)用到其他生活情境試題中解決類似物理問題。

4.4? ? 分層要求，提升模型建構(gòu)能力

新課程標準中強調(diào)教學(xué)必須面向全體學(xué)生，但高中學(xué)生的思維能力發(fā)展的情況存在差異，物理模型建構(gòu)教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)能力也存在差別。針對個體差異，物理模型的分層教學(xué)就非常有必要。高考考試說明中也談到物理試題的綜合性，計算題中常常會出現(xiàn)幾個物理模型組合在一起，而且問題情境的難度也是逐步深入。在教師分析綜合性較強的生活情境化試題時，對學(xué)生模型建構(gòu)的要求有所不同。學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生可以進行物理模型綜合應(yīng)用，挑戰(zhàn)自我。而思維能力稍弱的學(xué)生能分析掌握一兩個物理模型即可，培養(yǎng)學(xué)習(xí)的信心。模型建構(gòu)分層要求讓各類學(xué)生都學(xué)有所得，慢慢提升學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

5? ? 結(jié)? 論

基于新課程標準的核心素養(yǎng)要求及學(xué)生思維能力發(fā)展需求，在生活實踐情境試題中建構(gòu)物理模型，使抽象難懂的物理問題直觀具體地展現(xiàn)，有助于學(xué)生解決物理問題能力的提升，有助于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，促進學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和提高。

參考文獻：

［1］秦旭芳.基于高中學(xué)生在不同情境下的物理建模研究［D］.桂林：廣西師范大學(xué)，2019：6.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：4.

［3］張春麗.對“基于高考評價體系的五種關(guān)鍵能力”含義界定的嘗試［J］.物理教學(xué)探討，2020，38（6）：41-45.

（欄目編輯? ? 陳? 潔）